光电成像原理及技术-部分答案(北理工)

1、 光电成像原理及技术-部分答 案（北理工）第一章.光学成像系统与光电成像系统的成像过程各 有什么特点？在光电成像系统性能评价方面通 常从哪几方面考虑？答：a、两者都有光学元件并且其目的都是成像c而区别是光电成像系统中多了光电装换器。b、灵敏度的限制，夜间无照明时人的视觉能力很差；分辨力的限制，没有足够的视角和对比度就难以辨认；时间上的限制，变化过去的影像无法存留在视觉上；空间上的限制，隔开的空间人眼将无法观察；光谱上的限制，人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。.反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？表达形式有哪些？答：转换系数：输入物理量与输出物理量之间的 依从关系。在直视型光电成像器

2、件用于增强可见光图像时，被定义为电镀增益G1 ,光电灵敏度：R：=瓦常的瓦或者：即=有邙而.怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些方法和描述方式？答，利用分辨力和光学传递函数来描述。分辨力是以人眼作为接收器所判定的极限分辨力。通常用光电成像系统在一定距离内 能够分辨的等宽黑白条纹来表示。光学传递函数：输出图像频谱与输入图像频谱 之比的函数。对于具有线性及时间、空间 不变性成像条件的光电成像过程，完全可 以用光学传递函数来定量描述其成像特 性。第二章6.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？答：景物细节的辐射亮度（或单位面积的辐射强 度）；景物细节对光电成像系统接受孔径的张角；景物细节与

3、背景之间的辐射对比度。第三章.根据物体的辐射发射率可见物体分为哪几种类型？答：根据辐射发射率的不同一般将辐射体分为三类：黑体，=1 ;灰体，与1,与波长无关；选择体，1且随波长和温度而变化。.试简述黑体辐射的几个定律，并讨论其物理意义。答：普朗克公式：衣-T；普朗克公式描述了黑体辐射的光谱分布规律，是黑体理论的基础斯蒂芬-波尔滋蔓公式：MuQT；=不表明黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次方成正比。维恩位移定律：4rT = b他表示当黑体的温度升高时，其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动。最大辐射定律：此一定温度下，黑体最大辐射出射度与温度的五次方成正比。第五章1、像管的成像

4、包括哪些物理过程？其相应的理论或实验依据是什么？(1)像管的成像过程包括3个过程A、将接收的微弱的可见光图像或不可见的辐 射图像转换成电子图像B、使电子图像聚焦成像并获得能量增强或数 量倍增C、将获得增强后的电子图像转换成可见的光 学图像(2) A过程：外广电效应、斯托列夫定律和 爱因斯坦定律B过程：利用的是电子在静电场或电磁复 合场中运动规律来获得能量增强；或者利 用微通道板中二次电子发射来增加电子流 密度来进行图像增强C过程：利用的是荧光屏上的发光材料可 以将光电子动能转换成光能来显示光学图像2、像管是怎么分代的？各代的技术改进特点是什么？(1) A、零代微光像增强器技术B、一代级联式像增

5、强器技术C、采用微通道板(MCP )的二代像增强器D、采用负电子亲和势光阴极的三代像增强器E、超二代像增强器F、超三代像增强器G、第四代像增强器(2)一代和零代的区别在于一代像增强其采用了光学纤维面板将多级耦合起来， 形成级联式的像增强器，一般为得到正像，耦合级数多取奇数，通常微三级二代和一代的根本区别在于：它不是 采用多级级联实现光电子图像倍增，而是采用 在单级像增强器中设置MCP来实现光电子图 像倍增。三代和二代近贴式像管类似，其根本 区别在于光阴极，但对 MCP也提出了更高的 性能要求。二代采用的是表面具有正电子亲和 势的多晶薄膜结构的多碱光阴极， 三代采用的 则是负电子亲和势光阴极，因

6、此三代具有高增 益、低噪声的有点。11、光电发射为什么会存在极限电流密度？试分 析并导出连续工作条件下和脉冲工作条件下的 极限电流密度表达式。(1)在工作状态下，像管维持光电发射要依 赖于光阴极的真空界面有向内的电场场强， 这一 电场是由电子光学系统提供的。光阴极的光电发 射将产生空间电荷，此空间电荷所形成的附加电 场与电子光学系统的电场方向相反。随着光电发 射电流密度的增大，空间电荷的电场会增加到足 以抵消电子光学系统所提供的电场。 如果忽略光 电子的初速度，当光阴极画的法向场强为零时， 光电发射就要受到限制，这时像管的光电发射将 呈饱和状态。这一电流密度称之为光电发射的极 限电流密度。(2

7、)见 P159P16018、什么样的透镜叫短透镜？导出短透镜的焦距 公式并分析其成像性质答：（1）把对电子起有效作用的场一一透镜 的作用区间限于一个有限的空间范围内， 称此空 间位透镜空间，在此空间内，电子轨迹在场的作 用下是连续变化的，而物与像则位于透镜场外， 透镜场外的空间位等位空间。这种做了理想化的 电子透镜称为短透镜（或薄透镜）。（2 ）短透镜的焦距公式的推导见书P179P180 （包括像方焦距和物方焦距）成像性质：透镜作用区域较之透镜到物、像距离小得多， 比焦距小得多，物、像、焦距均在场外。场划分为三个区域，物空间，透镜空间，像空 间，在物、像空间，电位固定不变，电子轨迹 为直线（z

8、）0时透镜是会聚的（f为正），(z)2tl+_1+、r DC 泣产赤 L0tR-（2-C） mJ* J口 也。肛（2-68P2951、何为摄像管？简述摄像管的工作原理？答、电视摄像是将两维空间分布的光学图像转换为一维时间变化的视频信号的过程， 完成这一 过程的器件称为摄像管。工作原理：A、摄像管光敏元件接受输入图像的副照度进行光电转换，将两维空间分布的光强转 变为两维分布的电荷量。B、摄像管电荷存储元件在一帧周期内连续 积累光敏元件产生的电荷，并保持电荷量 的空间分布，这一存储电荷的元件称之为 靶。C、摄像管电子枪产生空间两维扫描的电子 束，在一帧周期内完成全靶面的扫描，逐 点扫描的电子束到达

9、靶面的电荷量与靶 面存储的电荷量相关，受靶面存储的电荷 量的调制，在输出电路上产生与被扫描点 辐照射强度成比例的信号，即视频信号。3、摄像管的结构由几部分组成？各部分的作用 是什么？答：主要由光电变换与存储部分和信号阅读部分两大部分组成A、光电变换与存储部分：将光学图像变成电 荷图像，并在整个帧周期内在靶上连续地 对图像上的任一像元积累电荷信号。B、信号阅读部分：从靶面上取出信号4、摄像管是怎样分类的？按光电变换的形式可 分为哪几类？按视频信号读出方式又可分为哪 几类？答：可按下面3种方法分类：a按电荷积累 方式分类b按光电变换形式分类 c按视频信 号读出方式分类其中按b可分为：外光电变换型和

10、内光电变换型按c可分为：信号板输出型和双面靶输出型17、热释电摄像管的靶有什么特点？具有什么性质？答：(1)热释电摄像管的靶是热释电靶，是具有 热释电效应的铁电体材料所制成的；(2)性质：利用热释电效应工作，仅对随 时间变化的热辐射有响应；是良好的绝缘体，容易积累电荷。20、简述热释电摄像管的工作过程。为什么要给 热释电摄像管靶加基底电荷？目前产生基底电 荷有哪几种方式？答：(1)工作过程：具体答案在课本 7.4.2节 (P285P289 ),这里只写大标题热释电靶的单筹化；靶面电荷图像的形成；热释电靶电荷图像的读出。(2)加基底电荷的原因：靶面电荷图像形成时：靶面的信号电荷是由扫描电子束的负

11、电荷着靶后才形成视频信号的，故靶面信号电荷必须为正。而靶是绝缘体，信号电荷又是静电的束缚电荷，扫描电子束着靶的负电荷不能在帧周期内导走， 所以为了防止热释电摄像管中靶面上产生负电荷积累， 必须在每次电子束扫描后都给靶面提供一定量的正 电荷；电荷图像读出时：同上(3)方法：二次电子发射法；摄像管内充气法；泄漏电流法21、热释电摄像管工作时有什么要求？对应这几种要求又哪几种工作方式？各有何优缺点？答：热释电靶面上的静电电荷面密度随靶温度变化而产生相应的变化。为了能连续摄取图像，要求热释电摄像管在每次电子束扫描靶面后， 能够重新产生靶面的静电电荷图像。具体方法：平移I：摄全景式：优点：装置简单。但图

12、像总在运动，不便于观察，热目标后边缘有黑色拖尾斩光式一一缺点：附加斩光装置及其相关系统，斩光速度与扫描速度协调，必须加校正电路将负极性新后倒相P3663、什么是CCD的开启电压？为什么实际工作中 CCD的开启电压必须考虑平带电压？平带电压 又是怎样的？解：CCD开始产生沟道所需要的栅压就是开启 电压。理想的MOS系统的C (Vg)特性往往与实际 测得的C (Vg)特性不完全一致，这是因为没有 考虑金属电极和半导体的功函数差ms、 Si-SiO 2界面上存在的表面电荷 Qss以及在SiO2 中因玷污产生的可动电荷等因素的影响作用，所 以，必须对理想情况下的结果进行修正。由于上述因素的影响，表面能

13、带向下弯曲，为 了使表面能带由弯曲变成平直，恢复平带状态， 而在金属栅极上所加的负的偏压就是平带电压。(P302 )什么是界面态？怎样减少界面态的影响？什么是“胖零”工作模式？为什么SCCD要采用“胖零”工作模式？解：界面态即界面陷阱电荷，主要是指 Si-SiO 2 界面处处于禁带中的局部能级，它可在短时间与 衬底半导体交换电荷，是表面复合和散射的主要 成因，它主要是对表面沟道的 CCD的转移效率 产生重大影响。采用埋沟CCD可避开界面态俘获信号电荷的 不良影响。要减少界面态的影响，可采用“胖零” 工作模式。“胖零”工作模式：用一定数量的基底电荷先 将界面态填满，当信号电荷注入时，信号电荷被

14、俘获的几率变小，而从界面态释放出来的电荷又 可以跟上原来的电荷包。信号电荷包损失到界面态中去的电荷，可能与它从界面态得到的电荷相等，从而在一定程度上减少了界面态带来的影 响。SCCD的电荷转移损失很大，引入“胖0”电 荷后，可使CCD界面引起的电荷转移损失降到 最小。6、简述BCCD工作原理，说明BCCD工作的特 点，并与SCCD比较各自的优缺点 解体内（理）均道（座沟CCD-BCCD）：通过在硅表面证入条质,使之形成N型容层，并在两超然上N +层，起港.海侔用力度沟LLD与家面LLD的区别二前者耨带信息的稻子是N扇中的今于，而后者是P号中的小手表面CCD中的信号电荷显中在界面处孤陈的反型层,

15、后理的CCD棺号电詹 集中左体由，平面附无。理的CCD优于羲面CCD的优/立委若，用信号电苻庭体内存修和转秒，连开了舜而毒惇获偌号的不设为响，所以转移桌: 率北灰面CCDJJ - 2十釐量延。由于套事极。压河有较浜的稻含，逵抻耦会随沟道加浜而变强*队而蹭加了追象 场。如之硅体占比等率比袤面含妁一宿.故埋两CCD工作秀率载言,可发125Mb 的时种下工作。理西CCD的索大优点是至,低，可工作在佃限度下.埋等CCD图定要缺袅：信号it理耒量小h比表面CCDJ*一个战量SLb7、以三相CCD为例，说明决定其工作频率的上 下限因素是什么?解:因CCD工伟在养稳盍，奴工作蜒阜寺下限，4卢不看命 势T.

16、赭移所需尉河为*,附科周期TCP）为对于三 *iCCD需俵匕 T 111h = L =一=工储 ?33 九3r因CCD电机有一定长度】电扃帮将香要一是用词.加之 CCD与左界面态，故工作频率有上限，对于蓄冷工袅幡 格所需时利药如 时鼾周期fCP）为T,对于三*|CCD看1U73 3七23t对于后者：要求界面去得荻我流于的时 利/J,于T/3,即：9、面阵CCD有几种工作模式？各有什么优缺 点？ 解：常见面阵CCD摄像器件有两种结构：行间转移结构（LT-CCD ）和帧/场转移结构 (FT-CCD)两种面阵CCD的比较；分韩力：北中方向士 1LT3)；垂直方向t逐_行扫枯一 样，陶行右君HLT高门

17、响应友f灵发及J : FT光敏面大，人手方向忠于 ILT,遂行扫描时FT灵女晨禽，腐行扫描时：FT积分 时同为一场1 1LT和分时同为一帧，版总的响应良一 玫口噪声：FT光敏面火，故噪声大拖粤：ILT转秒次数小，持用小应用：FT还可以通过喊薛，实现智强摄用，左低底友 摄像领威发得广泛应用10、什么是增强型CCD?增强型CCD有哪些耦 合类型或工作方式？答：像增强器与CCD耦合在一起，构成图像增强型CCD(ICCD)。增强型CCD有两种耦合方式：光学耦 合方式和光纤耦合方式。P36612 .简述CMOS器件的成像原理，比较CMOS 器件与CCD器件在工作原理上的异同，各有什 么公优缺点？答：WI

18、SH*拣酬 MNR9基本原理：再生的CMOS成作理件由 无发无再列和琳曲电电狗成.充软元外利：克成光电尊超为功能。背防 电电】龛段品油套号的卢金，光也楂号的 发现.物出争任参.寺小无敏无本方某工，Y方句上的地址，可 分期由药小才由哥也统年马李*月出柞；学列无氯无本对&,个村北大学可火火 鼻的输出棺等会期与X方向擢批年码救用4 模初5痔开关相山“I去际工作时，CMOS4唐黑在Y方向地址中 碍赛控制下，依次鬟通停杼无被尢6爆械 开关,信号通过分开关选到列线上,通过X 方向此址中码葬的盘包,信送到辿丈反.输出改丈器的龄出存号由A/D转操星通 髓点，段按处理电想走瞟后通置普。包麻 4fr出0CMOS图

19、像传感器的光电转换原理与 CCD 基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电 子。而信号的读出方法却与 CCD不同，每个 CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器， 而且可以被单独选址和读出，工作时仅需工作电 压信号，而CCD读取信号需要多路外部驱动。优缺点比较：CMOS与CCD图像传感器相 比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将图像处 理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等 优点，但其图像质量（特别是低亮度环境下）与 系统灵活性与CCD的相比相对较低。灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产 生电荷信号的能力，而 CCD灵敏度较CMOS 高30%50%。电子-电压转换率表示每个信号 电子转换为

20、电压信号的大小，由于 CMOS在像 元中采用高增益低功耗互补放大器结构， 其电压 转换率略优于CCD。动态范围表示器件的饱和 信号电压与最低信号阈值电压的比值， 在可比较 的环境下，CCD的动态范围约比CMOS的高两 倍。CMOS图像传感器的 响应均匀性较CCD有 较大的差距。标准CMOS具有较高的暗电流（1 nA/cm 2,最低100 pA/cm 2）,而精心制作的 CCD的暗电流密度为210 pA/cm 2。由于大 部分相机电路可与COMS在同一芯片上制作， 信号及驱动传输距离缩短，电感、电容及寄生延 尺降低，信号读出采用 X-Y寻址方式，CMOS 工作速度优于CCD。（ MOS与CCD图

21、像传达器的性能比较CMOS图像传感器CCD哦屯 iit（pA/rn2）10- 10010对8度低高嶂市电子数 200 50FPH%）可在至根电路中校iE1 x?y r可以看黄景物细节)“殖息跑镜头：fpt财平 0=21JAn以p的电攵运用“ 益伟电中也 门“心涌年用三整一倒考界*+杵大正为肉笈,孕和命的尊移过程电中成也以瑞工奥由活力不小徐产生附加也楼口对用E反制，夜之访礼I左Ki公仙？电四k J于r电片J的说可走皮降即再 法良而祷也干费*3 氏左隔电孑米反冲他力一 增加.相古力打千句书:杼C第钵1.现也小4施*立 加电般市伞乩KM冲力总也可以史观/p分用的例微生冷机医称为5出由于扫出效应的存在

22、，当光照射样品时，光信号与白 动转移出去.从而可以实现光信号的积素和延迟叠 旭实现* RITE探测器信号枳索和延退的必要条件一 红外图像扫描速度等于非平衡载流子的双极运动漉 移速度.裒极运动涕移速度与材料的少数敢流于迁移率却外 置偏压大小有关如果偏压足够大，非平衡少于将全部裒大部分 扫出功若电场场强过小，非平衡少于漂移长度小于器 件长度，副光生少子将在体内克合设一稳定的红外辐射入射到SPRITE探测器的总处， 若忽略陷阱效应及表面复合，井在强电场作用下忽 咯非平衡战流子的扩散，则沿探测罂长度方向x处 的先生载流子的稳态方程可写成，式中工为空穴的 窜引长度,若大于祥晶长度,则在=时间内p将移出体

23、外, 反之，将只有部分用能移出体外，在SPMTE探测 器中f 4=上为全部扫出条件，可推知他时SPRITE 探演1罂两编所加电压为力 为膈界扫出电压目SPRITE施测器工作原琮示童图做_Ap 闻+ 口打出_山幽H t请 法隼心小 r工0争二举 ；卢、那曲 4L = u Er匚%=包=3）推导响应度公式：设N型光电导体,其掺杂浓度远大于背景辐射产 生的载流子浓度，非平衡莪流子寿命远大于双极 漂移时间,双板涕移速度等于光点扫描速度，有 他定的红外辐射黑射到探测器，且沿长度方向自向右连续扫描时，设器件的尺寸为 w*w ,读出长度ll.在足够强的外加电场E作用下，可略去非平衡载流子扩散的影 响，则光生

24、载流子稳态下的连续方程可写为:dxEi n E解之，得：1 r国=它调/十立卜访人“J=e *4 W + p华/即+ 3;也户1一口二口，=/+3 = -Q寸A p = Q z 1 - 君tr1求斛微分方程得到无,照可傀无上.佗号 所产生的非平衡最说于港友坦4扫描位苣 的变.化关京*当扫描像元到达迪出区幻，即x=L有公 式,片中t为无生莪凝于在器件中的波题时 问C战西求将先生物流4的光电延便度T和开缘电压AZ = vp | Ljdz -事“其1 +T 1 -e rAT = M R, = M 5-用。十be 尸评di( L=-EIQ T 1 w 式中，n为读出区的载流子浓度。冕:独衅萼）响应度拄

25、定义可学戌；百品当反射相发限小nadl时可得4百成： -n的二茨”户）h5Vd打4）提高响应度的途径：.增大E会增大恁耳熟,从而增大热噪声申流故增大F应该 适当.增大载流子寿命，可以提高响应度，故可通过探测器表面 钝化技术来实现表面复合的影响降低到最低.可采用制冷技术，降低读出区的热激发载流于浓度,提高 响应度T减小表面反射损失，也是重要途径9、PV型光电探测器的工作机理是什么？有哪些特点？常用哪些材料？ 1）工作机理:光伏探测器；其基本部分是一个PN结光电二极管。波长比材料的截止波长短的红外辐射，被光电二极管吸收后将产生电 子一空穴对。如果吸收是发生在空间电荷区（茶区），电子和空穴立即被 强

26、电场分开，并在外电路中产生光电流.如果吸收的是P区或N区到结的扩散 长度区内.光生载流子必定会首先扩散到空间电荷区.然后再在第里受到电 场作用F对外电路贡献光电;旭 如果光电二极管是开路，则PN结两端出 现开路电压（P端为十）,即产生元主伏特效应，若在P、N两端连接一个 低电阻.则光电二极管被短路，且有短路电流藐动（反向）.按阳尢世就忘的衽论.离V屈示力生通 电动物时.四光WT，P-Z结的瞽金 / 高，支队思来的日U支为 （Vq-V）,钻区， 附近N区中小子限度挺得的增史匕当光鹏哥刊P-N秸上也 NM百J手/ 求度为p -运虻弄余的少子，一而不/注入，一 而不称句律H】#版/在贴区*|/的史

27、火也沈势受为P，高理可写山结区的 电子电送宙发J”嗫比PN年的总的九主也比3度可分 外包子，更支包违畲爱的2可* 盛畲月.向咤和也选堂度的多女式进用可用先生电压 古的巴摩此时.由r花生电况由灰 反勾地和心克密度.七王也王可 笥齿-h内xp,面 In 1+ C I jJm在现1 .户=中+绿。电2）特点: 1、光伏探测器响应速度快，有利于进行高速探测；其器件结构有利于排成二维阵列；探测率高2、提高光伏探测器的响应度，首先要提高光生 电流，即量子产额，其次是降低反饱和电流，即 提高增量电阻3、光伏探测器常工作于无外加偏压情况，此时 器件功耗极低，特别适用于大规模两维阵列。如 果后接放大器的输入阻抗

28、高，则入射光信号通过 器件电压变化检出信号，即为光伏模式。若后接 放大器的输入阻抗很低，则光信号通过二极管短 路电流变化检出。若在器件上加一直流偏压，能 使器件工作于任何特性工作点，可用电容将探测 器耦合到放大器上。在高频使用时常用反偏以减 小耗尽区电容和相应的时间常数 Rl*Cj3）材料：HgXdJe光伏探测器材料响应速度高，用于激光相时探测卜分有利,特 别是光通讯或在激光雷达中，作10. 6即】。0、激光 外差探测。PbnTc光伏探测器却叫InAs和工nSb多年前就由商品,77K.列阵探测器光 谱响应均匀性好，性能接近背景极限，已和硅CCD 耦合制成焦平面器件&其它薄膜铅部光伏型探测器力2

29、)探测率公式:10、光伏器件常用判据是什么？为什么?答：1)体公式，发中3尺产为探测 蕊叁面值与增号电俎乘猊的 平方限值上 是交断光优器件 畦吨优方的黄舜判据,全卦 为之伏梓辄的优值与优值成正比11.红外焦平面阵列有哪些各有什么特点?单片式IR-CCD单片灰又称整体式，可分为两种情况 CCD本身就对红外敏感，故探测.转移功能于一红外探测标与CCD作在同一基底上I基底通常为 Si,而探测孰部分常用於本征材料,茎本结构为 金属绝壕物半导体Q混合式IR-CCD根本特点j杷标训黑和CCD移住寄存 器分开，CCD仍用.善通硅制成, 工艺 相对成.鼠，而对兀个,重要的红外双 段，都已经发展了性能优良的本征

30、红 外探测獴因此，将而赤耦合起来组 成混合焦平面技术.能次得高量子效 率高性能的红外FPAo.简述肖特基势垒关电探测器的工作原理，及与光伏探测器有哪些异同点？工作及理：粕射透过硅胆在底化物 上产生热力穴I运些空火能越迂势至迸 入到后圭W底，从而在硅化我一边的电 极上积累负也符，形成 信号，由于铝层的反射作用， 珪化物对福射的吸收增 强，可使灵敏度提高一 个裁量级.相同点：二者响应度直接与增益电阻和面积之积 有关不同点：肖特基是多数载流子器件，P-N结是少数载流子器件.非制冷红外焦平面阵列有哪些形式？各有什么优缺点？热释电探测器 微测辐射热计与热释电相比微测辐射热计万宋用或集民技术，成本低，。q

31、有好的线哇响应和高动志右圈，。上隹总词绝缘畦好，串声少，图保清晰度高-低1/f嗨法1名欣逵心科洛在的离灵致度理论上可达0.01K)。4但偈苣也培功耗大，啸声年更更。3、试简述光电成像器件将二维图像转换成一维电信号可通过哪些途径1、电真空型摄像管(1)内光电变换型的光电导摄像器件利用内光电效应将入射的光学辐射图像变换为电信号，在视像管中，光电导靶既作为光电变换器，又作为电信号存储与积累器异质结又可分为注入型光电导靶、阻挡型光电导靶、异质结光电导靶、硅二极管阵列光电导靶 外光电变换型的光电发射型摄像器件利用的是外光电效应完成二维图像转换成一 维电信号的光电发射型摄像管都具有一下两个共同点：A、光电

32、变换部分是采用光阴极把输入的光学图像转换成光电子图像B、光电变换器和信号存储靶是分开的。常见的有超正析摄像管、二次电子导电摄像管 (SEC)、电子轰击型硅靶摄像管(EBS)2、热释电摄像管热释电摄像管与普通的光电导摄像管在结构上类似，只是用热释电靶代替了光电导靶但是 存在本质的区别，首先热释电靶是利用热释电 效应来工作的，其次热释电靶是近乎完美的绝 缘体，容易积累电荷而使电子束不能连续工 作，为此要设法消除靶面的负电荷积累。3、固体成像器件CCDCCD是电荷耦合器件的英文缩写，他利用的是处于非热平衡状态的势阱来进行电荷存储和转移的，它是基于MOS电容器在非稳 态下工作的一种器件，为一行行紧密排

33、列在硅 衬底上的MOS电容器阵列，具有存储和转移 信息的能力(2 )可分为表面 CCD(SCCD)和埋沟 CCD(BCCD)(3)且它既能制成线阵 CCD也能制成面阵CCD,还能和像增强器耦合在一起构成图像增强型CCD(ICCD),也可用光电子轰击 CCD的 像敏元构成电子轰击型CCD(EBCCD),还可以 采用延时-积分工作模式构成TDI4、 CMOS成像器件1) CMOS是互补金属一氧化物一半导体的 英文缩写(2)和CCD具有基本相同的光电转换原理， 即光敏单元受到光照后产生光生电子，在通过 信号读出电路将其读出，但是 CMOS的每个 源像素传感单元都有自己的缓冲放大器， 而且 可以呗单独

34、选址和读出5、红外探测器(1)热探测器A、热探测器吸收红外辐射后，产生温升，伴随 这温升而发生某些物理性质的变化，如产生温 差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化、 气体体积和压强变化等。测量这些变化就可以 测量出他们吸收的红外辐射的能量和功率B、常用的有热释电探测器、微测辐射热计、微测辐射热电堆等（2）光子探测器A、某些固体受到红外辐射照射后，其中的电子 直接吸收红外辐射而产生运动状态的改变，从 而导致该固体的某种电学参量的改变，这种性 质统称为固体的光电效应，光子探测器就是利 用光电效应制成的一种探测器B、常用的可以分为以下几类：光电子发射探测 器（利用的是外光电效应）、光电导探测器（利

35、用的是内光电效应）、光伏探测器光磁电探测 器（利用的是光磁电效应）、肖特基势垒探测 器、量子阱探测器等（3）红外焦平面阵列探测器由红外探测器和具有扫描功能的信号读 出器件组成的红外焦平面阵列，是凝视型红外热成像系统的核心，红外焦平面阵列 包括光敏元件和信号处理两个部分，可采 用不同的光子探测器、信号电荷读出器多 路传输可分为单片式红外焦平面阵列、混合式 红外焦平面阵列、Z平面红外焦平面等11-5试述光机扫描热像仪基本组成部分和工作 原理。答：下图为光机扫描型热成像系统的方框图，整 个系统主要包括：红外光学系统，红外探测器及 制冷器，电子信号处理系统和显示系统四个部 分。光机扫描器使单元或多元阵

36、列探测器依次扫 过场景视场，形成景物的二维图像。在光机扫描 热成像系统中，探测器把接收的辐射信号转换成电信号，通过隔直流电路把背景辐射从场景电信 号中消除，以获得对比度良好的热图像，由显示 系统显示出来。扫描同步器见图 衽光像视频*探河 器偏 置与 前放光机扫描一他.恒调节与分配二常懵 器绮光学系羽目标辐射2。曲无机扫描梯成像系统方根国11-8.热成像系统对扫描器的基本要求是什么？常用的光机扫描器有哪些？各有什么特点？答：1.热成像系统对扫描器的基本要求：用于热成像系统的扫描器大部分产生直线扫描光栅。对扫描器的基本要求是：扫描器转 角与光束转角呈线性关系；扫描器扫描时对聚光 系统像差的影响尽量

37、小；扫描效率高；扫描器尺 寸尽可能小；结构紧凑。.常用的光机扫描器及特点：a.摆动平面反射镜摆动平面反射镜在一定范围内周期性地 摆动完成扫描。根据反射光学原理，摆动反射镜 使光线产生的偏转角二倍于反射镜的摆角，即当 反射镜摆动a角时，反射光线偏转2 a角。摆动平 面镜是周期性往复运动，因为机构有一定的惯 性，所以速度不宜太高，且在告诉摆动的情况下， 视场边缘变的不稳定，要求较高的电机传动功 率，因此，总的来说摆动平面镜不舍和高速扫描。.平行光束扫描器的摆动平面镜设全视场为2W ,出瞳直径为P,出射光束直径为Q,则Q=PcosW(11-11)平打光束入射到祠镜上匿期后仍为平行光束蝴成楠幅单,唯雕

38、平醵尺寸.嫡11 F&为人时版直箔祥平破财触闻视平面反好蒯羯小尺寸I应力1 = Dfl/siny(11 -lz J对于联的人觥彘当平面翻动？姗成射潞熊的角曲剧北所域面上集点 的移动曲青为y - lyf(11 -13)式中/为成就学系统融口对好无施物点的触蒯速度为如2度(11*14)01 旗瞧点将抽眄平面雕动触电成视，明目标不在无战时线动平面触不在平 行麻帏抵像点的前速她就不与正比.*1 1114 州M TlftftM Wh 此曲4 J拙*上出射此束因11 75也动平山员用耳的儿同下.会聚光束扫描器的摆动平面镜D D图11 -16 摆动平面镜会集光束打描雅光路图时于钺面位置,探测器所在处D的僚像

39、为k从图中得出加出=(11-15)a + z a + ifos (2y)当8和谭较小时，可近似地取8 二 2 ,(I I -16)a + b即光线转角8与平面僦攫角y近M也早发11关系喜分析像电当平面像包于但胃时，光线沿。P。方向上的长度为“+A平面钛转到位置时，光路为州小其长度心再是人田HT6中AfMTP中的，犯,长度为由而491r ： f(11 -17)式中，f为成像系统焦距。这表明，当镜面使 主光线扫离光轴时，从物镜到探测器的光路缩短 了，这将会由于扫描散焦而增大光学系统的像 b.旋转反射镜鼓在高速扫描的情况下，经常采用旋转反射 镜鼓，由于镜鼓是连续转动，故比较平稳。旋转 反射镜鼓主要用

40、于平行光束扫描。旋转反射镜鼓 与摆动平面镜工作状态基本相同，转角关系和像 差也类似。但旋转反射镜鼓的反射面是绕镜鼓中 心线旋转，所以镜面位置相对于光线产生位移。 c.旋转折射棱镜扫描器具有2 (n+1 )个侧面(n=1,2,3，)的折 射棱镜，绕通过其质心的轴线旋转，构成旋转折 射棱镜扫描器，旋转折射棱镜只用作会聚光束扫 描器。会聚光束中旋转折射棱镜扫描器除使焦点 移动外，还产生各种像差，但由于其运动平衡而 连续，尺寸小，机械噪声小，有利于提高扫描速 度。此外，对物镜系统消像差要求较高，增加了 设计难度d.旋转折射光楔旋转折射光楔是一非常灵活的光学扫描 器，一般用在平行光路中。利用一对旋转光楔

41、， 改变其旋转方向和转速可以得到许多不同的扫 描图形。11-10.常用的光机扫描方案有哪些？特点如何？答：1.物方扫描：扫描器位于聚光光学系统之前 或置于无焦望远系统压缩的平行光路中。由于扫 描器在平行光路中工作，故称平行光束扫描。2.相仿扫描：扫描器位于聚光光学系统和探 测器之间的光路中，对像方光束进行扫描。对于 扫描器在会聚光路中工作，故称会聚光束扫描。特点:物方h描号像“扪扑i的比依物方扫描像方川话优缺点大多数扫描器不产生附 加像力扫描器光学质量对系统 聚焦性能影响较小，像差 校正容易因扪描器尺寸大.不易实 现高速扫描s产生平苴叶播场因产生等“I场 扫描器存在不可避免的散焦 矽扫描器光学

42、质量对系统聚焦 性能影响较大,像差校正困聚光系统设计复杂民用热像仪中居多,配以 应无焦望远系统,京绵平行 用光路,减小尺寸，可用于I军里上盘 Uh 97军用热像仪,如前视红外系 统等（）器尺寸较小，容易实现 高速扫描11-11.热成像系统中前置望远系统和中继透镜系统的作用是什么？答：1.前置望远系统的作用：有利于仪在采用平行光束扫描的热成像系统中， 为减小光学扫描部件的尺寸，在成像物镜前加一 组前置望远系统。对于成像物镜，加上前置望远 镜后，入射光束口径变小，视场变大，从而可缩 小反射镜或反射镜鼓等扫描部件尺寸，器小型化及提高扫描速度；另外，也可降低因衍 射带来的像点弥散斑尺寸，有利于提高像质

43、。2.中继透镜组的作用：中继透镜组把沿轴向从一个位置传送到 另一个位置。在传送过程中，图像将反转（成倒 像）。连续使用一系列中继透镜，可以使图像沿 一条直径限定的长管进行传送。11-15.红外探测器的制冷器按制冷原理划分可 以分为哪几种类型？其特点是什么？答：IL 3.制冷器的工作原理与分类技时制冷原理：相变网冷由瓦旗液态制冷剂）:利用致冷工作物质相变吸热效应，来达 到致冷降温的目的口如固态物崩熔解吸热或升华吸热,液体气化吸热等.焦耳一滴姆逊效应气体节流式制冷）：当高压气体的温度低于本身的徒旗 温度,并通过一个很小的节流孔时T由于气体膨胀而使温度下降.这种现象 为焦耳一汤姆女演应.如便耳流后的

44、低潟气体返回穴冷却进入高压的气体， 使高压气体在越来越低的温度下节流，不断重目这一过程，就可以获得所需 的低温.达到致冷目的.气体等嘀膨眼制冷（斯特林循环制冷器】：气体等烙膨胀后总是降温.是因 为气体等炳脚法时，不但借膨胀机的活塞国外输出机械功，而且膨俄后，气 体的内位能也要增加,都要消耗气体本身的内功能来卦偿，所以气体等帽腮 服后温度会显著降低.利用辐射热交帙制冷（卫星上用的情射制冷器）；因宇宙空间处于高真空，深 低温状态，物体可以和周围深冷空间进行辐射热交换.伯尔帖效应混差电阖冷或半导体制冷黠）：口型.P型半导体作为电偃对. 掏成闭合回路，自流电通过，一端发热. 一端变冷的效应.利用冷端可

45、以给 探测器致势.Z00B-9-1特点:.杜瓦瓶：结构简单，制冷温度稳定，冷量充足C 制冷物质多为液氮77K。.焦-汤制冷器：制冷物质为高压氮气。制冷部 件体积小，重量轻，无运动部件，机械噪声小, 使用方便。缺点：气源可得性差，高压气瓶较 重，对工作气体纯度要求苛刻，杂质不能超过0.01% ,否则节流孔堵塞会停止工作.斯特林制冷器：结构紧凑，体积小，重量轻， 制冷温度范围宽（77K-10K ）,启动时间短， 效率高，寿命长，操作简单，可长时间连续工 作。缺点：冷头有高速运动活塞，机械振动大， 容易引起器件噪声增大，分置式可减小这一问 题。.半导体制冷器：制冷能力取决于半导体材料的 性质和回路中

46、电流的大小。目前一级半导体制 冷器可产生60 c的温差，为达到更冷，可将n 个热电偶串接起来。结构简单，寿命长，可靠 性高，体积小，重量轻，无机械振动和冲击噪 声，维护方便，只耗电能。.辐射制冷器：耗能极少，甚至不需要能源的被 动式制冷器，使用寿命长，不需外加制冷功率， 无运动部件，更不会产生振动、冲击噪声，可靠性高。缺点：要求卫星的轨道和姿态得到控 制，保证辐射制冷式中对准超低温的宇宙空 间，不允许太阳光、地球等红外辐射直射到制 冷器的辐射器上。第十一章19、热成像系统信号处理采用直流隔离和直流恢复的目的是什么？怎样实现？ （ 505页）答:直流隔离的目的：使信号处理变得简单， 而且可达到抑

47、制背景和消弱1/f噪声的目的。直流恢复的目的：消除或减小图像的缺陷。实现方案：吧热誉号激O有效的扫描部分 无效的扫描昴分前t放大主放大津值朴愫科直况恢复箝任佶号孤补信号直流灰复：在系统中设置热参考源，在扫描周期的无效部分扫 描热参考源，这一温度信号称为箝位信号，将温度信号通道转 位在等电平上，然后，再将与温度信号相应的一个直流电平叠 加在经过箝位的温度信号上，进行环境温度补偿，这样经过箝 位和环境温度补偿后的温度信号就有了绝对意义.22、凝视成像和扫描成像有什么特点？目前实 现凝视成像的基本途径有哪些?答、光机扫描成像系统是光机扫描器使单元或探测器依次扫过景物视场，形成景物的二维 图像。把探测

48、信号转换成电信号，通过直流电路 把背景辐射从场景电信号中消除，以获得对比度 良好的热图像。特点：存在光机扫描器，系统结 构复杂、体积较大、可靠性降低、成本也较高，但由于探测器性能的要求相对较低， 技术难度相 对较低。凝视热成像系统式凝视焦平面热成像系统取消了光机扫描系统，同时探测器前置放大 电路与探测器合一，集成在位于光学系统聚焦平 面的探测器阵列上。特点：结构简化，不需要制 冷，成本低，但性能不及光机扫描系统。实现凝视成像的基本途径：热释电红外成像系统，其采用热释电材 料做靶面，制成热释电摄像管，勿需光机扫描， 直接利用电子束扫描和相应的处理电路， 组成电 视摄像型热像仪。固体成像器件CCD、CMOS、红外焦平 面探测器（能实现自扫描的探测器就能实现凝视 成像）30、试述热成像系统的最小可探测温差的MDTD 的定义，它与